中国科学家发现基于外尔轨道的三维量子霍尔效应

一百多年来，科学家对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系。近日，复旦大学物理学系修发贤课题组在拓扑半金属砷化镉纳米片中观测到了由外尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据，迈出了从二维到三维的关键一步。
北京时间12月18日零时，相关研究成果在线发表于《自然》(Nature)。
美国物理学家霍尔发现，对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场，电子的运动轨迹将发生偏转，在导体的纵向方向产生电压，这个电磁现象就是“霍尔效应”。如果将电子限制在二维平面内，在强大磁场作用下，电子的运动可以在导体边缘做一维运动，变得“讲规则”“守秩序”。但以往实验证明，量子霍尔效应只会在二维或准二维体系中发生。
2016年10月，修发贤及其团队第一次用高质量的三维砷化镉纳米片观测到了量子霍尔效应，修发贤形容：“就像是目睹汽车飞到空中那样又惊又喜。”随后，日本和美国科学家在同样的体系中观测到这一效应，但实际的电子运动机制在当时并不明确。
修发贤课题组提出了他们的猜想：一种可能的方式是从上表面到下表面的体态穿越，电子做了垂直运动;另一种可能是电子在上下两个表面，即在两个二维体系中，分别独立形成了量子霍尔效应。在实验中，面对快如闪电的电子运动速度，课题组创新性地利用楔形样品实现可控的厚度变化。“我们把电子运动的‘房子’放歪了，屋顶被倾斜了，房子内部上下表面的距离就会发生变化。”修发贤说，实验发现，电子在其中的运动轨道能量直接受到样品厚度的影响，这说明随着样品厚度的变化，电子的运动时间也在变。所以，电子在做与样品厚度相关的纵向运动，其隧穿行为被证明了。
“电子在上表面走一段四分之一圈，穿越到下表面，完成另外一个四分之一圈后，再穿越回上表面，形成半个闭环，这个隧穿行为也是无耗散的，所以可以保证电子在整个回旋运动中仍然是量子化的。”修发贤说，整个轨道就是三维的“外尔轨道”，是砷化镉纳米结构中量子霍尔效应的来源。至此，三维量子霍尔效应的奥秘终于被揭开。
量子霍尔效应被称作是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一，迄今已有4个诺贝尔奖与其直接相关。课题组表示，三维量子霍尔效应的发现，能够为将来进一步的科研探索提供实验基础。